CN101166187B - 正交频分复用802.11网络物理帧和mac帧新的构造方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用802.11网络物理帧和MAC帧的新的构造方法，属于无线通信技术的领域。在新构造的物理帧的SIGNAL符号中包含了当前通信尚需的信道占用时间的信息，在新构造的MAC帧帧头中包含了MAC帧帧长的信息。通过采用该构造方法，可使得802.11网络能够允许其站点间在物理层采用私用的工作方式传输数据，也可使得802.11网络的MAC层工作得更可靠。

Description

正交频分复用802.11网络物理帧和MAC帧新的构造方法 

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及正交频分复用(OFDM)无线局域网系统。 

背景技术

随着社会生活越来越广泛的对于信息的需求，网络已经越来越成为人们日常生活不可缺少的一部分。无线局域网因其接入灵活、不需要布线等优点，具有广阔的发展前景。 

IEEE802.11工作组针对无线局域网的应用需求提出了其无线局域网的解决方案，这就是802.11无线局域网标准。到目前为止，802.11无线局域网物理层的标准主要有四个，即802.11，802.11b，802.11g和802.11a，媒体接入(MAC)层的标准主要有802.11和802.11e。在物理层标准方面，802.11定义了跳频扩频、直接序列扩频和红外三种工作方式；802.11b对802.11的直接序列扩频工作方式进行扩展，使其物理层最高数据速率达到11Mbps(前者只能达到2Mbps)；802.11g则对802.11b作进一步的扩展，在兼容802.11b的基础上，加入了OFDM工作方式，物理层最高数据速率可达54Mbps，802.11g和802.11b均工作在2.4G频段；802.11a标准工作在5G频段，采用OFDM工作方式，物理层最高数据速率为54Mbps；802.11g的OFDM工作方式与802.11a采用了完全相同的实现方式，差别只在于工作频段不同。在MAC层标准方面，802.11定义了802.11网络中工作站点占用信道的方式，即通过随机竞争占用信道(DCF)和AP(Access Point)通过中央控制占用信道(PCF)两种方式，802.11e主要是针对802.11网络的服务质量问题而提出的解决方案，提出了HCF工作方式来实现局域网通信中的服务质量。 

现行802.11-OFDM(含802.11a和802.11g的OFDM方式)网络的物理层采用约定的调制-编码方式进行工作，不利于发射-接收站点克服室内信道的恶劣环境和提高物理层的数据速率。在室内环境下，物理信号的传输存在着墙壁穿透、物体遮挡、墙壁反射等问题，不同的发射-接收站点间更适宜于通过它们之间基于信道状况而确定的调制-编码方式进行物理层的数据传输，以提高无线局域网数据传输的效率。目前，北京新岸线公司已经提出了其家庭无线局域网的解决方案，在其物理层的数据传输中，允许不同站点间采用私用的调制-编码方式。 

DCF是802.11网络的基本工作方式，在DCF方式下，无线局域网内的各个站点通过随 机竞争占用信道。在通过随机竞用方式分配信道的802.11网络中，站点之间必须采用约定的调制-编码方式中的一种在物理层进行数据传输，使网络内的所有接收站点都能检测出当前传输的MAC帧，而不能在物理层采用私用的工作方式，如：私用的调制、编码方式等。这是因为，在802.11系统MAC帧的帧头中包含了一个Duration域，由802.11站点发送的MAC帧通过该数据域向网络内的其它站点传送本次通信尚需的信道占用时间的信息，未参加本次通信的各个站点必须根据该Duration值来设置自己的NAV(网络分配向量)参数，使其自身在该段时间内不占用信道。当本次通信的两个站点间采用私用的工作方式时，其它站点就不能读到关于该次通信的Duration信息，因而，在当前通信存在隐藏节点时，数据包的碰撞就会不可避免地产生。 

本发明对802.11-OFDM网络提出了一种新的物理帧和MAC帧的构造方法，使得该网络内的任意一对站点均可采用私用的工作方式在物理层传输数据，而不影响网络MAC层的正常运行。并且，即使是在现行802.11-OFDM网络中采用该新构造的物理帧和MAC帧，也可使得网络的MAC层工作得更可靠。 

发明内容

对于802.11-OFDM网络，提出了一种新的物理帧和MAC帧的构造方法，使得当局域网中的任一对站点间采用私用方式工作进行通信时、其它各个站点也能获知当前通信尚需的信道占用时间的信息。由于当前通信尚需的信道占用时间的信息能够通过物理帧中的SIGNAL符号以最可靠的方式发送给未参与通信的邻近站点，当其用于现行802.11-OFDM网络时，可使得网络的MAC层工作得更可靠。 

802.11-OFDM网络物理帧的帧结构如图1所示，其包含了Preamble、SIGNAL和数据体三部分。Preamble用于实现当前物理帧的帧同步、载波同步、定时同步和信道估计等功能。SIGNAL设置了数据体部分信号调制方式、纠错编码方式和所承载的MAC帧的帧长等的信息，它通过一个OFDM符号来实现。数据体承载了MAC帧数据，其采用SIGNAL中定义的调制和编码方式。 

802.11-OFDM网络中的所有接收站点在接收到一个物理帧后，均首先对SIGNAL符号进行解调、解码，在获得了关于数据体的调制方式、编码码率和MAC帧帧长等信息后再对数据体部分的数据进行解调、解码。 

在802.11-OFDM网络中，SIGNAL符号采用BPSK调制、1/2码率的卷积码(由于存在6个置尾0，实际码率为3/8)，以保证该段数据达到最大的传输可靠性。图2所示为SIGNAL 符号的结构，它包含24个数据比特，由RATE域、LENGTH域、Parity域、保留位和置尾0(SignalTail)五个部分构成，其中，6比特长的置尾0用于卷积解码，Parity域用于奇偶校验。RATE域定义了当前物理帧的数据速率，由于每一种物理层数据速率对应于一种特定的调制-编码组合，因此，其等价地定义了数据体的调制、编码方式。LENGTH域放置了关于当前物理帧所承载的MAC帧帧长(单位为字节)的信息。显然地，LENGTH域的信息是用于接收站点的MAC帧解码的，其它站点由于不需要对MAC帧进行完整的解码，通常并不需要此信息。 

802.11网络MAC帧可一般性地表示为图3所示的帧结构。不同类型的MAC帧包含不同的数据域，但所有的MAC帧均包含Frame Control域、Duration/ID域、FCS域和至少一个地址域。在MAC帧的类型为PS-Poll时，其Duration/ID域表示的是当前站点在与AP进行关联时的关联ID信息。在其它所有类型的MAC帧中，Duration/ID域均表示Duration信息，即：本次通信尚需的信道占用时间的信息。该Duration信息的设置与数据帧的传送方式相关。根据802.11协议，由不同的数据帧传送方式设置Duration信息的方法如表1所示。 

表1不同数据帧传送方式下Duration信息的设置方法 

数据帧传送方式	设置方法
		PCF工作方式	设置为固定值32768
DCF，广播、多播帧	设置为0
		DCF，单播，Data帧或Management帧 未采用分片方式传输	当前数据包传输完毕到  本次通信结束之间的时间(μs)
DCF，单播，Data帧或Management帧采用分 片方式传输，当前分片存在后续分片	当前数据包传输完毕到完成  对下一个分片的应答之间的时间(μs)
		DCF，单播，Data帧或Management帧采用分 片方式传输，当前分片不存在后续分片	当前数据包传输完毕到本次通信结束  (即完成对当前分片的应答)之间的时间(μs)

本发明将802.11MAC帧中的Duration信息置入其物理帧的SIGNAL符号中，从而使局域网内的所有站点仅利用物理帧中的SIGNAL符号即可获知当前通信尚需的信道占用时间的信息，而不依赖于对物理帧数据体的解码。在将本次通信尚需的信道占用时间的信息放入SIGNAL符号后，SIGNAL符号中原来放置的MAC帧帧长的信息则须放入到MAC帧的帧头中。这样，当接收站点接收到当前物理帧后，就可根据其MAC帧帧头中的帧长信息对当前MAC帧进行解码。 

通过将原来放在802.11MAC帧的Duration信息置入其物理帧的SIGNAL符号，可以使得802.11网络内的任意一对站点均可采用私用的工作方式在物理层传输数据，而不影响网络MAC层的正常工作。在允许物理层采用私用工作方式来数据传输的802.11网络中，当接收站点对物理帧进行解码而不能获得正确的MAC帧或不能通过FCS检验时，它就会知道当前的MAC帧不是发给它的，并依据SIGNAL符号提供的本次通信尚需的信道占用时间的信息在相应的一段时间内不竞用信道。 

把尚需的信道占用时间的信息置入SIGNAL符号中的另一个好处是，即使局域网不允许其站点按照私用的工作方式传输数据，也能使网络的MAC层工作得更可靠。这是因为：当局域网内的任一发射站点选用协议规定的一种调制-编码方式在物理层传输数据时，与该站点距离不同的站点对由其发送出的物理帧的解码能力是不同的。那些距离较远的站点因为不能正确地解码，仍然无法获知本次通信的Duration信息，从而成为802.11网络MAC层工作的隐患。由于SIGNAL符号采用低阶调制和低码率，是802.11-OFDM系统的物理帧中传输信息最为可靠的部分，把尚需的信道占用时间信息放入SIGNAL符号中，可以使尽可能多的接收站点获得该信息，从而使802.11网络的MAC层能够工作得更可靠。 

附图说明

图1802.11-OFDM网络物理帧的帧结构 

图2802.11-OFDM网络物理帧SIGNAL符号的结构 

图3802.11网络MAC帧的帧结构 

图4本发明构造的SIGNAL符号的结构 

图5本发明构造的MAC帧的帧结构(非PS-Poll帧) 

图6本发明构造的PS-Poll MAC帧的帧结构 

具体实施方式

802.11-OFDM网络物理帧的结构包含了Preamble、SIGNAL和数据体三部分(见图1)。Preamble用于实现当前物理帧的帧同步、载波同步、定时同步和信道估计等功能。SIGNAL中设置了数据体部分的信号调制方式、纠错编码方式和所承载的MAC帧帧长等的信息，它通过一个OFDM符号来实现。数据体承载了MAC帧数据，采用SIGNAL符号中定义的调制和编码方式。 

进一步地，SIGNAL符号通过采用BPSK调制、1/2码率的卷积码(由于存在6个置尾0， 实际码率为3/8)构造成一个OFDM符号，其包含了24个数据比特。SIGNAL符号的结构如图2所示，其由RATE域、LENGTH域、Parity域、保留位和置尾0(Signal Tail)五个部分构成，其中，6个比特长的置尾0用于卷积解码，Parity域用于奇偶校验。RATE域定义了当前物理帧中数据体的数据速率，实际上是等价地定义了物理帧数据体的调制、编码方式。LENGTH域放置了关于当前物理帧所承载的MAC帧的帧长信息(单位为字节)。 

新构造的SIGNAL符号的结构如图4所示，图中，新定义的数据域已经用黑体标出。新构造的SIGNAL符号与原SIGNAL符号的主要差别是其使用了一个DURATION域来表示表1所示的本次通信的Duration信息。当前数据帧为PS-Poll帧时，该域用特定的保留值进行表示。 

802.11协议规定的MAC帧最大帧长为2346字节。首先考虑DCF工作方式下发送单播数据帧的情况。在不采用分片传输情况下，该种通信所需要表示的最大Duration值应当是在RTS-CTS-DATA-ACK方式的通信中DATA帧采用最大帧长(2346字节)、各数据帧均采用6Mbps数据速率(BPSK调制、1/2卷积码码率)工作时RTS帧的Duration值，可以计算得到，该最大Duration值为3288μs。当MAC层采用分片传输时，该种通信所需要表示的最大Duration值应当是在DATA n-CTS-DATA n+1-ACK方式的通信中DATA n+1帧采用最大帧长(2346字节)、各数据帧均采用6Mbps数据速率(BPSK调制、1/2卷积码码率)工作时DATA n帧的Duration值，可以计算得到，该最大Duration值也为3288μs。由于DURATION域为12位，可表示的最大时长为4095μs，可满足802.11-OFDM系统表示单播通信下Duration信息的要求。在广播或多播通信情况下，DURATION域可设置为0。在PCF工作方式下，DURATION域可放入一个固定的保留值。当非AP站点向AP发送PS-Poll帧时，按802.11协议的规定，不需要在该MAC帧中放置信道占用时间的信息，因此，可在DURATION域放置一个特定的保留值向局域网内的站点标明这是一个PS-Poll帧即可。注意到，在802.11-OFDM系统中，物理帧的最短时长为20μs，所以，在新定义的DURATION域中，1～19可用作保留值。另外，4095也可用作保留值。 

通过将单播或广播多播方式下的Duration值(定义见表1)赋值给SIGNAL符号的DURATION域，并通过对PCF工作方式和PS-Poll帧设置特定的保留值，可以得到表2所示的SIGNAL符号中DURATION域的定义方法。在表中，PCF工作方式下的数据帧用4095来表示，PS-Poll帧用1来表示。一般性地，也可以选用其它的保留值来进行这种表示。 

表2  SIGNAL符号DURATION域的定义方法 

用法	DURATION域数值
		广播多播帧	0
PS-Poll帧	1
		保留	2～19
单播方式下的Duration信息(μs)	0，20～4094
		PCF工作方式下的数据帧	4095

802.11MAC帧的帧结构如图3所示。不同类型的MAC帧所包含的数据域有所不同，但所有的MAC帧均包含Frame Control域、Duration/ID域、FCS域和至少一个地址域。在MAC帧的类型为PS-Poll时，其Duration/ID域表示的是当前站点在与AP进行关联时的关联ID信息。在其它所有类型的MAC帧中，Duration/ID域均表示Duration信息，即本次通信尚需的占用信道的时间，定义见表1。 

由于SIGNAL符号中原来放置MAC帧帧长信息的位置已经放置了原MAC帧中的Duration信息，需要将MAC帧帧长信息放入MAC帧的帧头，使接收站点在对MAC帧解码时可以知道其结束位置。为此，我们在802.11的MAC帧中设置一个Length域，将原来放在物理层SIGNAL符号中的LENGTH信息(12比特)放入此数据域中。该Length域的长度设为2字节，与原Duration域的长度相同。 

对于非PS-Poll类型的数据帧，本发明新构造的MAC帧帧结构如图5所示，图中，新定义的数据域已经用黑体标出。该帧结构与802.11协议的原MAC帧帧结构的差别是将帧头中原来的Duration域置换成了Length域。 

对于PS-Poll帧，新构造的MAC帧帧结构如图6所示，图中，新定义的数据域已经用黑体标出。该帧结构与802.11协议的原PS-Poll帧帧结构的差别在于在其帧头中增加了一个Length域。 

Claims (7)

1.一种采用新的正交频分复用802.11网络物理帧和MAC帧的构造以传输数据的方法，其特征在于：

在其物理帧的SIGNAL符号中包含本次通信尚需的信道占用时间的信息；

在其MAC帧帧头中包含当前MAC帧帧长的信息；

基于所述物理帧和MAC帧，802.11网络中的站点间在物理层采用私用的工作方式传输数据，所述工作方式包括私用的调制、编码方式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，未对物理帧作新的构造之前的物理层是802.11a协议定义的物理层，或者是802.11g协议定义的OFDM物理层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，未对MAC帧作新的构造之前的MAC层为802.11协议定义的MAC层。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其SIGNAL符号包括：

该符号的长度为1个OFDM符号；

该符号中存在一个DURATION域，放置了802.11MAC帧中Duration域的信息，即关于本次通信尚需的信道占用时间的信息；

该符号中不包含原SIGNAL符号中的LENGTH域。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其MAC帧帧头包括：

该帧头中存在一个Length域，放置了正交频分复用802.11网络SIGNAL符号中LENGTH域的信息，即关于MAC帧帧长的信息；

该帧头中不包含原MAC帧帧头中的Duration域。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：SIGNAL符号的构造方法，其DURATION域包括：

它由12比特构成；

其在DCF工作方式下的设置方法为：

(1)本次通信传输的是广播、多播帧，其值设置为0；

(2)本次通信传输的是单播帧，且未采用分片方式传输时，其值设置为从当前数据包传输完毕到本次通信结束之间的时间，单位为微秒；

(3)本次通信传输的是单播帧且采用分片方式传输、当前通信传输的分片存在后续分片时，其值设置为从当前数据包传输完毕到完成对下一个分片的应答之间的时间，单位为微秒；

(4)本次通信传输的是单播帧且采用分片方式传输、当前通信传输的分片为最后一个分片时，其值设置为从当前数据包传输完毕到本次通信结束之间的时间，单位为微秒；

用特定的保留值表示PCF工作方式；

用特定的保留值表示PS-Poll帧。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：MAC帧帧头的构造方法，其Length域包括：

该域由2个字节构成；

其数值表示当前MAC帧的帧长，单位为字节。

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